纺织业纳米材料研究进展
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抗静电材料
化纤织物由于静电效应，摩擦时很容易产生放电，出现火花，同时也容易吸收灰尘，使化纤制品的应用范围受到一定的限制，并带来安全性的问题，给使用者造成很多不便。在化纤制品中加入少量纳米微粒，如将0．1％～0．5％的纳米TiO2、Cr2O3、ZnO、Fe2O3等具有半导体性质的粉体或碳纳米管加到树脂中，会产生良好的静电屏蔽性能，使静电效应大大降低，提高安全系数。ZHLim等［5］制备了ZnO纳米棒织物，该纳米氧化棒沿径向生长均匀，密集覆盖到织物的每根纤维上，由于纳米棒排列的一致性及高结晶度使织物导电，这种导电织物在常温下具有良好的灵敏度，用其制成的服装具有显著的静电屏蔽性能。BunshiFugetsu等［6，7］研究发现碳纳米管可以改善聚合物的性能，将碳纳米管掺入聚合物中可制得功能性材料，由于碳纳米管具有优良的导电性能，可以使材料具有好的静电屏蔽效果。LarsBoger［8］研究了纳米材料的电导性，发现环氧树脂用碳纳米管修饰后可以具有导电性，用该材料制成的纤维具有优良的静电屏蔽性能。
纳米紫外线吸收材料
阳光中的紫外线具有杀菌消毒和促进人体内维生素D合成及促进骨骼组织发育的功能，但过多遭受紫外线辐射会加速人体皮肤老化和癌变。对人体有伤害的紫外线主要位于300～400nm波段，相关研究表明，纳米TiO2、ZnO、SiO2和纳米云母都有吸收该波段紫外线的特征。把这些材料制成纳米粉体，其微粒的尺寸与光波波长相当或更小，小尺寸效应导致光吸收显著增强，纳米粉体的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象，对各种波长光的吸收带有宽化现象。利用纳米微粒优异的光屏蔽特性，将少量纳米超细粉体加入合成纤维中，制成的服装和用品具有阻隔紫外线的功效。ZhipingMao等［9］用水热法使ZnO纳米颗粒生长覆盖在棉织物的表面，发现在100℃或更高的水热处理温度下通过重结晶可使棉织物表面的ZnO纳米颗粒的形态由球状或棒状变成更小的针状，棉织物表面被直径为24nm的针状纳米棒覆盖，具有优良的紫外防护性能，紫外防护指数超过50。MagedH．Zohdy等［10］研究发现含有硫酸铝或硫酸钾的纳米ZnO涂层具有紫外线防护性能，织物表面涂覆0．3g／mL的明矾可显著提高紫外线防护性能，加入纳米ZnO后织物紫外线防护性能会增强2～3倍。A．El．Shafei等［11］在不同温度下制备了ZnO／羧甲基壳聚糖生物纳米复合物，制备的ZnO、羧甲基壳聚糖颗粒的平均粒径分别为28nm、100nm，并发现这种生物纳米复合材料可使棉织物具有防紫外性能，对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌具有良好的抗菌性能。ZhiCao等［12］采用原位改性的方法用SiO2和三甲基硅氧烷改性制备了ZnO超细纳米颗粒，改性后的ZnO在可见光区域高度透明，与未改性的ZnO相比具有优异的紫外屏蔽性能。HaifengLu［13］制备了氧化锌聚苯乙烯纳米杂化涂层，经该材料处理后的棉织物具有优异的紫外防护性能及良好的耐水洗能力，该新型材料对织物表面功能化具有很大的应用潜力。
纳米拒水拒油自清洁材料
纺织品在服用过程中会沾上污渍，影响纺织品的外观和使用性能，可借助纳米SiO2和纳米TiO2的有效复合来整理纺织品。纳米SiO2可使纺织品表面张力降低，令污水和油污只能依附在布面，降低沾染入布的几率；纳米TiO2微粒受紫外线激发，具有较强的光催化和氧化降解特性，在光照下能将吸附在纺织品布面的有机油和有机污物层层分解，最终变成CO2和H2O而蒸发掉，使纺织品保持清洁；光的照射还引起TiO2表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构，显示出奇妙的超双亲性，用这种纤维制成的衣物在使用过程中能保持清洁状态，具有防水、防油等效果。DeyongWu［14］通过水溶胶法制得粒径为3～5nm的锐钛型纳米TiO2，将其涂覆到织物表面，发现该面料具有明显的自清洁性能。T．Yuranova等［15］将厚度为20～30nm、粒径为4～8nm的TiO2－SiO2复合涂层覆盖在棉纺织品表面，发现TiO2－SiO2复合涂层在棉纺织品表面具有自清洁作用，比仅用纳米TiO2自清洁效果更显著。K．T．Meilert等［16］采用绿色化学方法在210℃时将TiO2连接到棉布表面，发现处理后织物具有自清洁性能，而再升温会导致织物轻微泛黄变色。
抗日晒老化褪色材料
有机高分子材料经过日光紫外线的长期照射后，其分子链会发生降解，产生大量的自由基，致使纤维的强度、颜色和光泽受到很大影响。纳米TiO2、ZnO及银粒子等是稳定无毒的紫外线吸收剂，将其均匀地分散于高分子材料中，利用其对紫外线的吸收作用，可阻止高分子链的降解，减少自由基的发生，从而达到防日晒老化的效果。LuSun等［17］在经蒽醌和苯并吡喃发色团染料染色的涤纶织物表面涂覆含有ZnO纳米颗粒的丙烯酸聚合物薄膜，研究了该织物在阳光下颜色衰退的情况，发现ZnO纳米粒子可以降低染料的褪色率。耐光性低的苯并吡喃染料织物表面的褪色率因聚合物／ZnO薄膜显著降低，而耐光性高的蒽醌染料织物表面褪色率降低程度要弱一些。VesnaIlic等［18］制备了稳定的纳米银粒子胶状涂层，研究了有该涂层棉织物的褪色情况，发现沉积在织物表面的纳米银粒子具有织物褪色防护性能，该性能受纳米银粒子胶束浓度的影响。
抗冲击高强耐磨材料
纳米材料具有超强、高硬、高韧的性能，将其与化学纤维融为一体后，化学纤维也将具有超强、高硬及高韧性。纳米碳管的强度极高，实验研究表明，单壁碳纳米管的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其强度是钢的100倍，密度却是钢的1／6；弹性模量也很高，在弯曲后可再弹回，可用于复合添加剂，制备高强高弹性纤维。另外，纳米粘土与聚合物的复合能够大大提高材料的强度和模量，利用纳米粘土的这种功能，可与聚酰胺插层聚合开发锦纶纳米功能纤维，使纤维的强度和模量大大提高。Hui－juanZhang等［19］在聚四氟乙烯复合材料中引入功能性多壁碳纳米管（MWCNTs），发现多壁碳纳米管良好的功能性和分散性可以提高复合材料的服用性能，显著增强含有聚四氟乙烯棉织物的摩擦性能。Hui－juanZhang等［20］还研究了混有纳米三氧化二锑和氰尿酸三聚氰胺（MCA）含PTFE的棉织物的摩擦学性能，发现混有纳米三氧化二锑和MCA的含PTFE的棉织物表面在低负荷下的磨损率有所降低，而随负荷增高磨损率会有所增加。XinruiZhang等［21］将纳米SiO2沉积在织物的表面，用碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）进行修饰，研究了织物的摩擦力和复合材料服用性能，发现纤维表面用纳米SiO2处理可以显著提高CFRP复合材料的摩擦学性能，通过SiO2溶胶沉积得到的纳米SiO2薄膜可以提高纤维和酚基质的附着力，使织物表面更加光滑，减少了摩擦力，提高了碳复合材料（CFRP）的耐磨性能。
耐高温阻燃材料
碳纳米管的基本构成是单元式六边形的碳环，而构成这些碳环结构的碳－碳共价键是自然界中最稳定的化学键。碳纳米管具有耐高温、不燃的特点，可用于制作多种耐高温纺织材料和织物，是未来纤维的首选材料。QiangWu等［22］将单壁碳纳米管（SWCNT）、多壁碳纳米管（MWCNT）以及碳纳米纤维（CNF）涂覆到环氧碳纤维复合材料的表面，并分别对其阻燃效果进行研究比较，发现单壁碳纳米管和碳纳米纤维没有明显改善材料的阻燃性，而多壁碳纳米管具有显著的阻燃效果，降低了60％的峰热释放率，阻燃率达到50％。将用无机和有机一价离子与蛭石的钙、镁离子进行交换过的片状蛭石置于无离子水中，使其充分溶胀，经胶膜机研磨后，可制成纳米微粒的悬浮体。用这种悬浮体制成的无机薄膜具有优异的耐燃、耐高温性能。未经处理的玻璃布在900℃时仅16s就熔融，而用高粘度纳米悬浮体涂覆的玻璃布在此高温下燃烧42min才出现收缩现象。这层薄薄的纳米层状硅酸盐薄膜在玻璃纤维表面起着优异的隔热、阻燃作用。用这种涂层玻璃布可制作各种耐高温纺织材料，如炼钢厂工人的防护服。SilvoHribernik等［23］用溶胶－凝胶法在纤维素纤维表面生长涂覆一层纳米SiO2，降低了粘性纤维的可燃性。用18％的氢氧化钠溶液对纤维表面进行预处理，发现在未经预处理的纤维表面，SiO2形成了300～400nm厚且具有很多裂隙的表面涂层，经氢氧化钠溶液预处理的纤维表面更粗糙，SiO2涂层进入了纤维内部，更紧密地附着在纤维结构上并在纤维外部表面形成了一层厚度为100nm且无缺陷的涂层。该涂层使纤维热分解的温度提高20℃，显著抑制了热分解过程中氧流动产生的挥发物，相应的放热峰值增加了20～40℃。
纳米隐身纺织材料
纳米光敏染料对各种不同波长的可见光敏感可感知周边环境的颜色并作出相应的调节，同时改变自身色泽，变成与周边环境一致的保护色。将这种纳米光敏染料植入纤维，制成的服装就具有隐蔽色功能，可以将服色调节成与周边环境一致，具有良好的隐身效果。某些纳米材料具有良好的吸波性能，将其加入纺织纤维利用纳米材料对光波的宽频带强吸收、反射率低的特点，可使纤维不反光，使外界看不到，可用于制作吸波防反射隐形织物。Jin－BongKim等［24］用炭黑（CB）、碳纳米纤维（CNF）和多壁碳纳米管（MWNT）3种不同类型的碳纳米材料制备了环氧树脂复合层压材料，研究了单层微波吸收材料的介电常数、厚度和吸收波长，发现该复合材料具备良好的微波吸收性能，在3GHz时有10dB的吸收带宽，复合材料的浓度及单层厚度对微波吸收有一定影响。Ki－YeonPark等［25］用碳纳米纤维（CNFs）电介质材料和NiFe纳米磁损耗材料制备了微波吸收材料，发现具有合适厚度的介电型和磁性的混合单层吸收材料具有显著的微波吸收效果，在厚度2．00mm、X波段4．0GHz和在厚度1．49mm、Ku波段6．0GHz时该磁电混合型材料具有10dB的吸收带宽。Z．Zou等［26］用沉淀氧化法从铜铁矿石中制备了磁性Fe3O4纳米颗粒，发现Fe3O4纳米颗粒结晶性良好，具有八面体形态，粒径为200nm，在14．08GHz时最小反射损耗为－42．7dB，在4．2GHz时带宽小于10dB，具有显著的微波吸收能力，是良好的微波吸收材料。
纳米仿生可降解纺织材料
蜘蛛丝、纳米竹纤维及大豆蛋白等可作为可降解的仿生纺织材料。蜘蛛丝具有强的坚韧和弹性，利用纳米生物技术测定蜘蛛丝蛋白的DNA排序后，找到产生这种蜘蛛丝的基因，部分复制这些基因并植入细菌体内，可培育出一种能产生蜘蛛丝蛋白的细菌。含有这种基因的细菌蛋白质与蜘蛛丝的蛋白质相同，可以拉成丝，利用这种纳米技术生产的类蜘蛛丝纤维，其强度是钢的5倍，伸长率为33％，同时还具有良好的弹性，可用于制成性能优异的仿生纺织材料。Xiao－songHuang等［27］用经纳米竹纤维（MBF）修饰过的大豆蛋白树脂制备了环境友好生物降解材料，研究发现加入MBF后，大豆蛋白浓缩物（SPC）的断裂应力和杨氏模量都显著提高，加入30％的MBF后，SPC的断裂应力和杨氏模量分别由20．2MPa、596MPa增加到59．3MPa、1816MPa，其韧度由2．7MPa增加到6．0MPa。这种经MBF修饰过的SPC树脂制备的绿色复合材料能完全进行生物降解，在纺织行业领域具有卓越的性能和巨大的潜力，可以取代传统的石油原料。
本文作者：宋圆许祖勋张创王世敏董兵海赵丽万丽作者单位：湖北大学材料科学与工程学院
